ساخت کامپیوترهای فوق سریع؛
استفاده از نور به جای سیگنال های الکتریکی + عکس
به تازگی فیزیکدانان ادعا کرده‌اند گام مهمی را به سوی خلق کامپیوترهای فوق‌سریع برداشته‌اند. در این صورت امکان استفاده از نور به جای سیگنال‌های الکتریکی برای پردازش اطلاعات فراهم خواهد شد. این تیم موفق به تولید اولین قطعه‌ی الکترونیکی فشرده شده‌اند که می‌تواند فاز مطلق پالس‌های نوریِ بی‌نهایت سریع را اندازه‌گیری کند. هرچند ابتداً انتظار می‌رود این وسیله کاربردهایی را در آزمایشگاه‌های لیزر بیابد ٬ اما روزی خواهد توانست نقش مهمی در سیستم هایی بازی کند که از پالس‌های نوری فوق‌سریع برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند.
به گزارش خبرنگار علمی باشگاه خبرنگاران،این تحقیق توسط فرنس کرایز (Ferenc
Krausz) و همکارانش از موسسه‌ی اپتیک کوانتومی ماکس پلانک در گارشینگ
آلمان انجام شده است. در سال ۲۰۰۱ تیمی به رهبری کرایز و همکارانش اولین
پالس لیزری که تنها چند آتوثانیه (یک میلیاردم یک میلیاردم یک ثانیه) عمر
داشت را تولید و اندازه‌گیری کردند. چنین پالس‌هایی برای مطالعه‌ی حرکت
الکترون‌های درون اتم‌ها استفاده می‌شده و اساس زمینه‌ی مطالعاتی روبه رشد و
جدیدی از «فیزیک آتوثانیه» بشمار می‌رود .
هرچند تکنیک‌هایی که برای ایجاد و توصیف چنین پالس‌هایی استفاده شده، در طول دهه‌ی گذشته بهبود یافته‌است ٬ هنوز با این اوصاف از تجهیزات گران و بزرگی به این منظور استفاده می‌شود. این تجهیزات از تکنیک‌هایی بهره می‌برد که برای اندازه‌گیری فاز مطلق مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اندازه‌گیری فاز مطلق پالس‌ها برای درک سیگنال‌های نوری سریع و متغیر ٬ امری اساسی به حساب می‌آید. اگرچه به منظور پایش تغییرات نسبی یک پالس نوری تکنیک‌های فراوانی وجود دارد با این وجود اندازه‌گیریِ مقدار مطلق (نسبت به استاندارد) برای پالس‌های نور مرئی ٬ چالشی اساسی محسوب می‌شود. در حال حاضر تکنیک‌هایی در دسترس‌اند (سریع‌سازیِ آتوثانیه و استریو مافوقِ یونش آستانه) اما هردوی این روش‌ها به شرایط خلاء بالا و فضای فیزیکی زیادی نیازمندند ٬ بنابراین برای توسعه روی قطعات کوچک مناسب نیستند .
لیزر مدفشرده در موسسه‌ی اپتیک کوانتومی ماکس پلانک چنان فلش‌های نوری را گسیل می‌کند که تنها چند فمتوثانیه دوام می‌آورند. اکنون یک آشکارساز فاز (مبتنی بر شیشه) کنترل دقیق و ساده‌تر شکل امواج آن‌ها را ممکن ساخته است .
از عایق به رسانا
کار جدید بر پایه‌ی پژوهش انجام شده در سال ۲۰۱۳ بنیان نهاده شده ٬ زمانی که این تیم اثبات کردند که نور قادر است یک عایق الکتریکی را به یک رسانای الکتریکی تبدیل کند. این تیم موفق شدند تا وقتی یک اتصال فلز-دی‌الکتریک-فلز در معرض یک پالس بی‌نهایت کوتاه از نور شدید قرار می‌گیرد ٬ جریان جاری در طول الکترودها را اندازه‌گیری کنند. پژوهشگران دریافتند که شدت و جهت جریان را می‌توان با تغییر شکل موج این پالس کنترل کرد .
اکنون این دانشمندان موفق به ایجاد قطعه‌ای شده‌اند که از این اثر برای اندازه‌گیری فاز مطلق پالس‌های بسیار کوتاه استفاده می‌کند. با استفاده از این قطعه ٬ فاز یک پالس برای ثبت چگونگی تغییرات سینوسی میدان الکتریکی نور تعیین می‌شود. این میدان ٬ جریان نوسان‌کننده‌ای را در این قطعه و در فرکانس‌های پتاهرتز ( ۱۰۱۵) به پیش می‌برد. به بیان نیکولاس کارپیوچ (Nicholas Karpowicz) عضوی از این تیم از موسسه‌ی اپتیک کوانتومی ماکس پلانک: «این کار ٬ چشم‌اندازِ مهیجِ استفاده از این جریان‌های فوق‌العاده سریع را برای اندازه‌گیری واقعی میدان‌های اپتیکی (از طریق بازخوانی مستقیم الکترونیکی) مطرح می‌کند». در نتیجه می‌توان به وسیله‌ای دست یافت که قادر است «عکس‌های فوری» از شکل میدانِ نوری نوسان‌کننده بگیرد .
پالس‌هایی با عمر فمتوثانیه
اندازه‌گیری‌های انجام شده مبتنی بر پالس‌های نوری است که در حدود یک فمتوثانیه ( ۱۰-۱۵) دوام دارند. این پالس‌ها برای ایجاد پالس‌های آتوثانیه ( ۱۰-۱۸) استفاده می‌شوند؛ فرآیندی که نیازمند دانش دقیق درباره‌ی فاز مطلق پالس‌های فمتوثانیه‌ی اصلی است. یکی از مزایای این آشکارساز آن است که فشرده‌تر از آشکارسازهای موجود بوده و به هیچ وجه به محیط خلا نیاز ندارد. به گفته‌ی جان تیش (John Tisch) از کالج سلطنتی لندن که در این پژوهش سهمی نداشته است: «به راحتی می‌توان فرض کرد که یک وسیله‌ی مقرون به صرفه وجود داشته باشد (یک جعبه‌ی سیاه کوچک) که سایر گروه‌های تحقیقاتی می‌توانند آن را خریده و برای اندازه‌گیری فاز مطلق لیزرهایشان استفاده کنند ».
با این وجود آن‌طور که افراد دیگر خاطرنشان می‌کنند ٬ درک ما از این اثر مراحل ابتدایی خود را می‌گذراند. یوآخیم بورگدوفر (Joachim Burgdörfer ) از موسسه‌ی فیزیک نظری دانشگاه فناوری وین در اتریش که در این تحقیق دخالتی نداشته است می‌گوید: « هنوز کاربرد جهانی و انتقال‌پذیری این مشاهدات به مواد دی‌الکتریک یا هندسه‌های دیگر شناخته نشده است ».
نیاز به تحقیقات بیشتر
این ابزار می‌تواند در اصل برای تبدیل اطلاعات رمزنگاری شده به داده‌های الکترونیکی در پالس‌های نوری مورد استفاده قرار گیرد. به بیان کرایز: «با این کار ممکن است بتوان به قابلیت سیگنال‌های پردازشگر در آهنگ‌های ده‌ها هزار برابر بالاتر از آن‌چه الکترونیک دیجیتال امروزی قادر به انجام آن است دست یافت- این یعنی افزایش بالقوه قدرت محاسباتی در مدت زمان اجرای بیشتر». با این حال او هشدار می‌دهد که مدت زمان زیادی باید سپری شود تا این اتفاق بیافتد. در حقیقت افزایش سرعت الکترونیک به چیزی بیش از تنها اندازه‌گیری‌های فاز نور نیازمند است. چالش بزرگ دیگری نیز در برابر هرکسی که به دنبال ایجاد مدارهای با سرعت بالاست وجود دارد و آن یافتن راهی است برای اجرای چنان اندرکنشی در جهت عکس. یعنی این کار موجب می‌شود میدان نوری در پاسخ به تغییرات الکتریکی در این وسیله تغییر کند: به این منظور این کار بایستی در بازه‌ی زمانی فوق‌العاده کوتاه مشابهی رخ دهد .
اگرچه هنوز راه طولانی برای رسیدن چنان ابزارهایی به بازار وجود دارد ٬ این تحقیق به بیان تیش « قطعاً گامی اساسی در این راه محسوب می‌شود». وی می‌افزاید: « ممکن است در آینده به چنان ابزارهایی ٬ درست مثل زمانی که اولین ترانزیستورها در دهه‌ی ۱۹۴۰ برای اولین بار ظهور کردند ٬ نگریسته شود ٬ اگرچه ترانزیستورها در زمان خودشان پیشگامانه حرکت می‌کردند اما با استانداردهای امروزی بیشتر شبیه پروژه‌های علمی مدارس‌اند.» این وسیله در مجله‌ی فوتونیک نیچر توصیف شده است. می‌توانید با دیدن این ویدئو با فیزیک آتوثانیه بیشتر آشنا شوید . درباره‌ی نویسنده: کتیا ماستویچ (Katia Moskvitch) نویسنده‌ای علمی از انگلستان است.
انتهای پیام/
هرچند تکنیک‌هایی که برای ایجاد و توصیف چنین پالس‌هایی استفاده شده، در طول دهه‌ی گذشته بهبود یافته‌است ٬ هنوز با این اوصاف از تجهیزات گران و بزرگی به این منظور استفاده می‌شود. این تجهیزات از تکنیک‌هایی بهره می‌برد که برای اندازه‌گیری فاز مطلق مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اندازه‌گیری فاز مطلق پالس‌ها برای درک سیگنال‌های نوری سریع و متغیر ٬ امری اساسی به حساب می‌آید. اگرچه به منظور پایش تغییرات نسبی یک پالس نوری تکنیک‌های فراوانی وجود دارد با این وجود اندازه‌گیریِ مقدار مطلق (نسبت به استاندارد) برای پالس‌های نور مرئی ٬ چالشی اساسی محسوب می‌شود. در حال حاضر تکنیک‌هایی در دسترس‌اند (سریع‌سازیِ آتوثانیه و استریو مافوقِ یونش آستانه) اما هردوی این روش‌ها به شرایط خلاء بالا و فضای فیزیکی زیادی نیازمندند ٬ بنابراین برای توسعه روی قطعات کوچک مناسب نیستند .
لیزر مدفشرده در موسسه‌ی اپتیک کوانتومی ماکس پلانک چنان فلش‌های نوری را گسیل می‌کند که تنها چند فمتوثانیه دوام می‌آورند. اکنون یک آشکارساز فاز (مبتنی بر شیشه) کنترل دقیق و ساده‌تر شکل امواج آن‌ها را ممکن ساخته است .
از عایق به رسانا
کار جدید بر پایه‌ی پژوهش انجام شده در سال ۲۰۱۳ بنیان نهاده شده ٬ زمانی که این تیم اثبات کردند که نور قادر است یک عایق الکتریکی را به یک رسانای الکتریکی تبدیل کند. این تیم موفق شدند تا وقتی یک اتصال فلز-دی‌الکتریک-فلز در معرض یک پالس بی‌نهایت کوتاه از نور شدید قرار می‌گیرد ٬ جریان جاری در طول الکترودها را اندازه‌گیری کنند. پژوهشگران دریافتند که شدت و جهت جریان را می‌توان با تغییر شکل موج این پالس کنترل کرد .
اکنون این دانشمندان موفق به ایجاد قطعه‌ای شده‌اند که از این اثر برای اندازه‌گیری فاز مطلق پالس‌های بسیار کوتاه استفاده می‌کند. با استفاده از این قطعه ٬ فاز یک پالس برای ثبت چگونگی تغییرات سینوسی میدان الکتریکی نور تعیین می‌شود. این میدان ٬ جریان نوسان‌کننده‌ای را در این قطعه و در فرکانس‌های پتاهرتز ( ۱۰۱۵) به پیش می‌برد. به بیان نیکولاس کارپیوچ (Nicholas Karpowicz) عضوی از این تیم از موسسه‌ی اپتیک کوانتومی ماکس پلانک: «این کار ٬ چشم‌اندازِ مهیجِ استفاده از این جریان‌های فوق‌العاده سریع را برای اندازه‌گیری واقعی میدان‌های اپتیکی (از طریق بازخوانی مستقیم الکترونیکی) مطرح می‌کند». در نتیجه می‌توان به وسیله‌ای دست یافت که قادر است «عکس‌های فوری» از شکل میدانِ نوری نوسان‌کننده بگیرد .
پالس‌هایی با عمر فمتوثانیه
اندازه‌گیری‌های انجام شده مبتنی بر پالس‌های نوری است که در حدود یک فمتوثانیه ( ۱۰-۱۵) دوام دارند. این پالس‌ها برای ایجاد پالس‌های آتوثانیه ( ۱۰-۱۸) استفاده می‌شوند؛ فرآیندی که نیازمند دانش دقیق درباره‌ی فاز مطلق پالس‌های فمتوثانیه‌ی اصلی است. یکی از مزایای این آشکارساز آن است که فشرده‌تر از آشکارسازهای موجود بوده و به هیچ وجه به محیط خلا نیاز ندارد. به گفته‌ی جان تیش (John Tisch) از کالج سلطنتی لندن که در این پژوهش سهمی نداشته است: «به راحتی می‌توان فرض کرد که یک وسیله‌ی مقرون به صرفه وجود داشته باشد (یک جعبه‌ی سیاه کوچک) که سایر گروه‌های تحقیقاتی می‌توانند آن را خریده و برای اندازه‌گیری فاز مطلق لیزرهایشان استفاده کنند ».
با این وجود آن‌طور که افراد دیگر خاطرنشان می‌کنند ٬ درک ما از این اثر مراحل ابتدایی خود را می‌گذراند. یوآخیم بورگدوفر (Joachim Burgdörfer ) از موسسه‌ی فیزیک نظری دانشگاه فناوری وین در اتریش که در این تحقیق دخالتی نداشته است می‌گوید: « هنوز کاربرد جهانی و انتقال‌پذیری این مشاهدات به مواد دی‌الکتریک یا هندسه‌های دیگر شناخته نشده است ».
نیاز به تحقیقات بیشتر
این ابزار می‌تواند در اصل برای تبدیل اطلاعات رمزنگاری شده به داده‌های الکترونیکی در پالس‌های نوری مورد استفاده قرار گیرد. به بیان کرایز: «با این کار ممکن است بتوان به قابلیت سیگنال‌های پردازشگر در آهنگ‌های ده‌ها هزار برابر بالاتر از آن‌چه الکترونیک دیجیتال امروزی قادر به انجام آن است دست یافت- این یعنی افزایش بالقوه قدرت محاسباتی در مدت زمان اجرای بیشتر». با این حال او هشدار می‌دهد که مدت زمان زیادی باید سپری شود تا این اتفاق بیافتد. در حقیقت افزایش سرعت الکترونیک به چیزی بیش از تنها اندازه‌گیری‌های فاز نور نیازمند است. چالش بزرگ دیگری نیز در برابر هرکسی که به دنبال ایجاد مدارهای با سرعت بالاست وجود دارد و آن یافتن راهی است برای اجرای چنان اندرکنشی در جهت عکس. یعنی این کار موجب می‌شود میدان نوری در پاسخ به تغییرات الکتریکی در این وسیله تغییر کند: به این منظور این کار بایستی در بازه‌ی زمانی فوق‌العاده کوتاه مشابهی رخ دهد .
اگرچه هنوز راه طولانی برای رسیدن چنان ابزارهایی به بازار وجود دارد ٬ این تحقیق به بیان تیش « قطعاً گامی اساسی در این راه محسوب می‌شود». وی می‌افزاید: « ممکن است در آینده به چنان ابزارهایی ٬ درست مثل زمانی که اولین ترانزیستورها در دهه‌ی ۱۹۴۰ برای اولین بار ظهور کردند ٬ نگریسته شود ٬ اگرچه ترانزیستورها در زمان خودشان پیشگامانه حرکت می‌کردند اما با استانداردهای امروزی بیشتر شبیه پروژه‌های علمی مدارس‌اند.» این وسیله در مجله‌ی فوتونیک نیچر توصیف شده است. می‌توانید با دیدن این ویدئو با فیزیک آتوثانیه بیشتر آشنا شوید . درباره‌ی نویسنده: کتیا ماستویچ (Katia Moskvitch) نویسنده‌ای علمی از انگلستان است.
انتهای پیام/
